非洲硫化銅鈷礦氧壓浸出工藝研究

關鍵詞：硫化銅鈷礦；預浸脫碳；氧壓浸出；銅鈷浸出

中圖分類號：TF81 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）07-0028-08

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2025.07.08

Study on Oxygen Pressure Leaching Process of African Copper-Cobalt Sulfide Ore

SULifeng，ZHENG Chaozhen，LIU Sanping，QIN Shuchen （BGRIMM Technology Group，Beijing ， China）

Abstract：As important strategic metal resources，copperand cobalt are widelyused in industrial fieldssuchas new energy.Africancopper-cobalt sulfideresourcesare graduallybeingdeveloped，buttraditional smelting methodshave problems suchas low eficiencyandhigh ironleachingrate.Foracertain copper-cobalt sulfide concentrate in Africa， theinfluencing factorsanddegreeofmetal leaching behaviorareanalyzedbyusing parameters suchaspre-leachingacid amount，oxygenpartial pressure，leaching time，leaching temperature，andliquid-solidratioasexperimentalconditions，and theoptimization scheme of oxygen pressure leaching processis studied to improve the leaching rate ofcopper and cobalt and suppresstheleachingof iron.Aftersystematic investigation，under theoptimal processconditions，thepre-leaching acid amount is 150kg/t ore，the oxygen partial pressure is O.6 MPa，the leaching time is 4h，the leaching temperature is 180‰ ，and the liquid-solid ratio is 5：1. At this point，the leaching rates of copper and cobalt reach 98.23% and 98.50% ， respectively，while the leaching rate of iron is only 3.42% .In the leaching residue，the content of copper and cobalt is extremelylow，andironis mainlyenrichedintheformofferricoxide，andtheacidityoftheleaching solutionis moderate， which facilitates the subsequent separationand recoveryof copperand cobalt.Research hasshown that oxygen pressure leaching technologycaneficientlyprocess copper-cobaltsulfideore，withadvantagessuchashigh metal extractionrate， significantironihibitionefect，and good processtability，providing technicalreferencefortheeficientdevelopmentof similar resources.

Keywords：copper-cobaltsulfideore;pre-leaching decarbonization;oxygen pressure leaching;copper-cobaltleaching

銅是人類應用最廣泛的金屬之一，鈷更是我國戰略性礦產資源，兩者在航空航天、機械制造、電子電氣、新能源電池等工業領域取得廣泛應用。據美國地質調查局（United StatesGeological Survey，USGS）統計，當前，非洲是鈷儲量最大的大洲，達415萬t，而全球的探明鈷儲量為830萬t，非洲占了一半[1-5]。相對于非洲這一“鈷窟”，我國是一個嚴重缺鈷的國家。作為制造業大國，隨著我國新能源汽車、大數據、人工智能基礎設施的爆發式增長，銅、鈷資源需求量增加。然而，我國的鈷資源極其有限，為了確保正常生產，一些中資企業逐步將生產重心遷移到剛果（金）、贊比亞等鈷資源豐富的地區[6-8]。鈷主要從銅鈷礦和紅土鎳礦中副產，自銅鈷礦開發以來，非洲的技術水平逐漸提升，從銅鈷礦中副產的鈷占比越來越高。

隨著各地區銅鈷礦開采不斷加深，礦石氧化率逐漸下降，深部硫化礦的開發利用被逐漸提上日程[9-11]。硫化銅鈷礦的冶煉方法主要有火法熔煉吹煉、硫酸化焙燒-浸出、氧壓浸出等。氧壓浸出作為一種強化冶金工藝，可處理較為復雜的金屬硫化礦，金屬提取率較高，除鐵效果顯著，其在鋁、鎳、鋅和金等金屬冶煉中均有應用。為進一步在非洲推廣和應用氧壓浸出技術，試驗采用氧壓浸出工藝處理非洲某地區所產的硫化銅鈷精礦樣品，獲得合理的氧壓浸出工藝參數。

1試驗部分

1.1 原料

試驗所用的原料為某選廠選礦獲得的精礦，樣品呈黑色粉末狀，化學成分分析結果如表1所示。該原料主要成分是銅鈷硫化物，還含有一定量的二氧化硅及碳酸鹽等。

表1原料化學組成

1.2試驗方法氧壓浸出試驗在GSHA型2L內襯鈦的立式加壓釜中進行，加壓釜由控制柜、磁力攪拌器和電加熱器組成，最高工作溫度為 260°C ，最大工作壓力為10MPa 。內膽以及與礦漿接觸的釜蓋、攪拌軸、冷卻盤管、測溫管、通氣管、針型閥等的材質均為工業純鈦TA2。

試驗采用的硫化銅鉆精礦樣品粒度小于0.074mm 的占比超過 80% 。試驗準備階段，將礦樣、自來水與硫酸按照所需用量進行充分漿化，樣品含有部分碳酸鹽，為防止二氧化碳在后續氧壓浸出過程中析出影響浸出效果，進行常壓預浸脫碳。預浸后礦漿置入高壓反應釜中，進行反應釜氣密性檢查。氣密性檢測合格后，啟動磁力攪拌器與電加熱器，反應釜開始升溫，溫度達到設定值后，開始計時，反應時間為1～4h 。試驗過程中，溫度波動控制在 ，壓力波動控制在 ±0.1MPa 。反應結束后，通過蠕動泵泵送冷卻水對釜體進行快速降溫。待溫度降至 80^qC 以下時，開啟反應釜蓋并取出浸出礦漿。浸出礦漿固液分離后，采用725Series型電感耦合等離子體發射光譜儀檢測濾液化學成分含量；濾渣洗滌、烘干后，檢測其化學成分。試驗工藝流程如圖1所示。

圖1試驗工藝流程

1.3試驗原理

氧壓浸出過程中，硫化礦被氧化，生成對應的硫酸鹽。當溶液酸度發生變化時，鐵離子會發生水解。其間發生多種反應，如式（1）至式（9）所示。

Fe₂（SO₄）₃+（x+3）H₂O=Fe₂O₃?xH₂O+3H₂SO₄ （8）3Fe₂（SO₄）₃+13H₂O=（H₂O）₂Fe₆（SO₄）₄（OH）₁₂+5H₂SO₄ （9）

2 結果與討論

試驗主要考察預浸溫度、浸出溫度、浸出時間、氧分壓以及液固比對氧壓浸出過程中銅鉆浸出情況的影響，以金屬浸出率作為主要評價指標，其中銅、鈷為渣計浸出率，鐵為液計浸出率。

2.1預浸酸量對脫碳效果的影響

在預浸溫度為 25°C 、預浸時間為 ^2h 、浸出液固比為 5：1 的試驗條件下，考察預浸硫酸用量對樣品中碳的脫除影響，結果如圖2所示。隨著硫酸用量的增加，預浸終點 pH 值和預浸渣含碳量逐漸降低，樣品預浸脫碳效果好。但硫酸用量過多，會造成預浸時Fe浸出率增加，后續氧壓浸出液殘酸過大，加大后續工序處理壓力。因此，適宜的預浸酸量可選擇150kg/t 礦，此時終點 pH 值為1.52，預浸渣含碳量為 0.17% ，Fe浸出率為 6.11% 。

圖2預浸酸量對脫碳效果的影響

2.2浸出溫度對銅鈷浸出的影響

在表2的試驗條件下，浸出溫度對銅、鉆、鐵的浸出率影響結果如圖3所示。反應溫度為170～180^°C 時，隨著溫度的升高，銅鈷浸出率提高，由180^°C 繼續增加至 230^qC ，保持 ^4h 的長時間浸出，銅鈷浸出率增加不明顯。綜合考慮現場設備能力，適宜的浸出溫度為 180^qC ，此時 Cu 浸出率為 98.02% ，Co浸出率為 98.63% ，Fe浸出率為 2.89% ，銅鉆接近完全浸出，鐵被抑制在渣中。

2.3浸出時間對銅鈷浸出的影響

在表3的試驗條件下，浸出時間對銅、鈷、鐵浸出率的影響結果如圖4所示。 Cu 、Co浸出率均隨浸出時間的延長而逐漸增加，相較之下，浸出時間對

表2浸出溫度試驗條件

圖3Cu、Co、Fe在不同浸出溫度下的浸出率變化Co浸出率影響明顯。適宜的浸出時間為 3～4h ，此時 Cu 浸出率為 98.12% ，Co浸出率為 98.13% ，Fe浸出率為 3.84% 。

表3浸出時間試驗條件

圖4Cu、Co、Fe在不同浸出時間下的浸出率變化2.4氧分壓對銅鈷浸出的影響

在表4的試驗條件下，氧分壓對銅、鈷、鐵浸出率的影響結果如圖5所示。 Cu 、Co浸出率隨氧分壓的升高而逐漸增加，Fe浸出率變化不明顯。當氧分壓為 0.6MPa 時， Cu 、Co浸出率均大于 98% ，接近完全浸出。

表4氧分壓試驗條件

圖5Cu、Co、Fe在不同氧分壓下浸出率的變化

2.5液固比對銅鈷浸出的影響

在預浸酸量 150kg/t 礦、預浸時間 ^2h 、浸出溫度 180^°C 、氧分壓 0.6MPa 和浸出時間 ^4h 的試驗條件下，分析液固比對 Cu 、Co浸出效果的影響，結果如表5所示。 Cu 浸出率受液固比影響不明顯，Co浸出率隨液固比增大有所增加，Fe浸出率隨液固比增大而逐漸減小。

表5液固比對Cu、Co、Fe浸出率的影響

2.6平行驗證試驗

在上述單因素條件試驗結果的基礎上，經綜合考慮，確定硫化銅鈷精礦氧壓浸出的平行試驗條件，即預浸酸量為 150kg/t 礦，預浸時間為 ^2h ，浸出溫度為 180^°C ，液固比為 5：1 ，氧分壓為 0.6MPa ，浸出時間為 ^4h 。平行驗證試驗結果如表6所示。平行試驗具有良好的重現性，浸出渣率為 84.64% ，Cu浸出率為 98.23% ，Co浸出率為 98.50% ，Fe浸出率為 3.42% 。銅鈷接近完全浸出，大部分鐵被抑制在渣中。

表6氧壓浸出平行驗證試驗結果

氧壓浸出液和氧壓浸出渣的主要成分如表7所示。浸出液中和后進入萃取工序提銅，萃余液除雜后回收鈷。大部分鐵富集在浸出渣中，目前尚無經濟有效的回收方法。

表7浸出液、浸出渣的核心化學成分

2.7浸出渣產品檢查

氧壓浸出渣中，主要礦物成分如表8所示。其中，主要礦物為石英和鉀長石，其次為白云母，少量為鈉長石、斜長石、綠泥石、褐鐵礦和石膏，微量為金紅石、鈉鉀長石、硫酸鐵、黃鉀鐵礬、黃鐵礦和蛇紋石，偶爾可見黃銅礦、硫銅鈷礦、白云石、透輝石、黑云母、方解石、菱鐵礦和鋯石等。

表8浸出渣主要礦物組成

浸出渣中，銅、鈷的含量極低，其中銅主要以黃銅礦的形式存在，其次以硫銅鈷礦和斑銅礦的形式存在，少量銅以銅藍、輝銅礦的形式存在，微量銅以孔雀石的形式存在，少量褐鐵礦中可見微量以分散形式存在的銅。這些銅礦物絕大部分以脈石礦物包體的形式存在，如圖6至圖11所示。

1.黃銅礦；2.輝銅礦；3.鉀長石。

（a）掃描電鏡圖譜

圖8黃銅礦、輝銅礦以鉀長石包體的形式存在

1.黃銅礦；2.鉀長石。

（a）掃描電鏡圖譜

（b）鉀長石電子能譜

圖9黃銅礦以鉀長石包體的形式存在

（b）黃銅礦電子能譜

圖10黃銅礦以單體的形式存在

1.含有分散形式的銅。

（a）掃描電鏡圖譜

圖11褐鐵礦含有分散形式的銅

浸出渣中，絕大部分鈷以硫銅鈷礦的形式存在（見圖12），少量黃鐵礦中可見類質同象形式存在的鈷（見圖13）。

（a）掃描電鏡圖譜

（b）硫銅鉆礦電子能譜

圖12浸出渣中的硫銅鈷礦和石英

圖13浸出渣中的含鈷黃鐵礦

鐵主要以三氧化二鐵、褐鐵礦的形式存在（見圖14），其次以黃鉀鐵礬和菱鐵礦的形式存在，少量以黃鐵礦的形式存在，另外有少量鐵以分散形式存在于綠泥石、黑云母等礦物中。

1.三氧化二鐵；2.褐鐵礦；3.黃鉀鐵礬；4.黃鉀鐵礬。（a）掃描電鏡圖譜

圖14浸出渣中的三氧化二鐵、褐鐵礦和黃鉀鐵礬

3結論

氧壓浸出條件試驗結果表明，在適宜的范圍內，浸出溫度、浸出時間、氧分壓與銅、鈷浸出率正相關，液固比對銅鈷浸出率影響不明顯。經綜合考慮，確定預浸－氧壓浸出的優化工藝條件，即預浸酸量為150kg/t 礦，氧分壓為 0.6MPa ，浸出時間為"^4h"，浸出溫度為 180^qC ，液固比為 5：1 。此條件下， Cu 浸出率為 98.23% ，Co浸出率為 98.50% ，Fe浸出率為3.42% 。氧壓浸出渣中，銅、鈷含量極低，其中銅主要以黃銅礦的形式存在，鈷主要以硫銅鈷礦的形式存在，鐵主要以三氧化二鐵的形式存在。氧壓浸出工藝較適合處理類似的硫化銅鈷精礦，具有銅鈷浸出率高、除鐵效果好、浸出液易處理等優勢。

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